ACIDOS

IAN BUTTIR

QUÍMICA GENERAL

E.U.A. 1992

Ácido

Un ácido (del latín acidus, que significa agrio) es considerado tradicionalmente como cualquier compuesto químico que, cuando se disuelve en agua, produce una solución con una actividad de catión hidronio mayor que el agua pura, esto es, un pH menor que 7. Esto se aproxima a la definición moderna de Johannes Nicolaus Brønsted y Martin Lowry, quienes definieron independientemente un ácido como un compuesto que dona un catión hidrógeno (H⁺) a otro compuesto (denominado base). Algunos ejemplos comunes incluyen al ácido acético (en el vinagre), y al ácido sulfúrico (usado en baterías de automóvil). Los sistemas ácido/base se diferencian de las reacciones redox en las cuales no hay un cambio en el estado de oxidación. Los ácidos pueden existir en forma de sólidos, líquidos o gases, dependiendo de la temperatura. También pueden existir como sustancias puras o en solución.

A las sustancias químicas que tienen la propiedad de un ácido se les denomina ácidas.

Propiedades de los ácidos

1. Tienen sabor ácido como en el caso del ácido cítrico en la naranja y el limón.
2. Cambian el color del papel tornasol azul a rosa, el anaranjado de metilo de anaranjado a rojo y deja incolora a la fenolftaleína.
3. Son corrosivos.
4. Producen quemaduras de la piel.
5. Son buenos conductores de electricidad en disoluciones acuosas.
6. Reaccionan con metales activos formando una sal e hidrógeno.
7. Reaccionan con bases para formar una sal mas agua.
8. Reaccionan con óxidos metálicos para formar una sal mas agua.

a base es, en primera aproximación (según Arrhenius), cualquier sustancia que en disolución acuosa aporta iones OH⁻ al medio. Un ejemplo claro es el hidróxido potásico, de fórmula KOH:

KOH → OH⁻ + K⁺ (en disolución acuosa)

Los conceptos de base y ácido son contrapuestos. Para medir la basicidad (o alcalinidad) de un medio acuoso se utiliza el concepto de pOH, que se complementa con el de pH, de forma tal que pH + pOH = pKw, (Kw en CNPT es igual a 10⁻¹⁴). Por este motivo, está generalizado el uso de pH tanto para ácidos como para bases.

Distintas definiciones de base

La definición inicial corresponde a la formulada en 1887 por Svante August Arrhenius.

La teoría de Brønsted y Lowry de ácidos y bases, formulada en 1923, dice que una base es aquella sustancia capaz de aceptar un protón (H⁺). Esta definición engloba la anterior: en el ejemplo anterior, el KOH al disociarse en disolución da iones OH⁻, que son los que actúan como base al poder aceptar un protón. Esta teoría también se puede aplicar en disolventes no acuosos.

Lewis en 1923 amplió aún más la definición de ácidos y bases, aunque esta teoría no tendría repercusión hasta años más tarde. Según la teoría de Lewis una base es aquella sustancia que puede donar un par de electrones. El ion OH⁻, al igual que otros iones o moléculas como el NH₃, H₂O, etc., tienen un par de electrones no enlazantes, por lo que son bases. Todas las bases según la teoría de Arrhenius o la de Brønsted y Lowry son a su vez bases de Lewis.

• Ejemplos de bases de Arrhenius: NaOH, KOH, Al(OH)₃.
• Ejemplos de bases de Brønsted y Lowry: NH₃, S²⁻, HS⁻.

Propiedades de las bases

Finalmente, según Boyle, bases son aquellas sustancias que presentan las siguientes propiedades:

• Poseen un sabor amargo característico.
• Sus disoluciones conducen la corriente eléctrica.
• Azulean el papel de tornasol.
• Reaccionan con los ácidos (neutralizándolos).
• La mayoría son irritantes para la piel.
• Tienen un tacto jabonoso.
• Se pueden disolver.
• Sus átomos se rompen con facilidad.
• Son inflamables.

Fuerza de una base

Una base fuerte es la que se disocia completamente en el agua, es decir, aporta el máximo número de iones OH⁻. El ejemplo anterior, hidróxido potásico, es de una base fuerte.

Una base débil también aporta iones OH⁻ al medio, pero está en equilibrio el número de moléculas disociadas con las que no lo están.

En este caso, el hidróxido de aluminio está en equilibrio (descomponiéndose y formándose) con los iones que genera.

Formación de una base

Una base se forma cuando un óxido de un metal reacciona con agua:

igual es:

Nomenclatura de bases

Para crear una base usando diversas nomenclaturas para ellas tomadas a partir de los nombres de los elementos y juntándolos con un ion hidroxilo (OH), tomando el número de valencia del elemento y combinarlos (cambiándolos de posición) como se muestra en la tabla:

Fórmula	Tradicional	Stock	IUPAC
Cu(OH)	Hidróxido cuproso	Hidróxido de cobre (I)	Monohidróxido de cobre
Cu(OH)2	Hidróxido cúprico	Hidróxido de cobre (II)	Dihidróxido de cobre

Cuando un elemento tiene más de dos valencias no se le pone nomenclatura tradicional. Al usar la menor valencia, el elemento termina en oso y cuando se usa la mayor termina en ico. En la nomenclatura IUPAC se le va a dar una conformación de prefijos al elemento según su valencia usada (Mono, Di, Tri, Tetra, Penta, Hexa, etc) junto con la terminación -hidroxi u -oxidrilo que es el ion OH con carga −1.

Óxido

estado líquido y otros en estado sólido a temperatura ambiente. Casi todos los elementos forman combinaciones estables con oxígeno y muchos en varios estados de oxidación. Debido a esta gran variedad las propiedades son muy diversas y las características del enlace varían desde el típico sólido iónico hasta los enlaces covalentes. Por ejemplo, son óxidos el óxido nítrico (NO) o el dióxido de nitrógeno (NO₂). Los óxidos son muy comunes y variados en la corteza terrestre. Los óxidos no metálicos también son llamados anhídridos porque son compuestos que han perdido una molécula de agua dentro de sus moléculas. Por ejemplo, al hidratar anhídrido carbónico en determinadas condiciones puede obtenerse ácido carbónico:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

En general, los óxidos se pueden sintetizar directamente mediante procesos de oxidación; por ejemplo, óxidos básicos con elementos metálicos (alcalinos, alcalinotérreos o metales de transición) como el magnesio:

2Mg + O₂ → 2 MgO;

o bien óxidos ácidos con elementos no metálicos, como el fósforo:

P₄ + 5O₂ → 2 P₂O₅

Nombres de los óxidos

Los óxidos se pueden nombrar según el número de átomos de oxígeno en el óxido (nomenclatura sistemática), o monóxido; los que contienen dos átomos de oxígeno, dióxido; tres, trióxido; cuatro, tetraóxido; y así sucesivamente siguiendo los prefijos numéricos griegos.

También se pueden nombrar usando otras nomenclaturas

• Nomenclatura stock-werner: donde se indica el número de oxidación del elemento oxidado, con números romanos. (Se utiliza tanto para los óxidos básicos como para los óxidos ácidos)

N₂O₃ = Óxido de Nitrógeno (III)

• Nomenclatura Tradicional (se utiliza para óxidos básicos, no los óxidos ácidos)

SO₂ = Anhídrido sulfuroso

Hay otros dos tipos de óxido: peróxido y superóxido. Ambos cuentan como óxidos pero tienen diversos estados de oxidación y reaccionan en diversas maneras con respecto a otros óxidos.

También es posible hablar de protóxido, que es una forma de llamar a los óxidos comunes (O trabajando con -2) cuando el elemento oxidado trabaja con su mínimo estado de oxidación.

EJEMPLOS:

N₂O = Protóxido de Nitrógeno

Tipos de óxidos

Según la estequiometría del compuesto:

• Óxidos binarios, formados por oxígeno y otro elemento.

• Óxidos mixtos, formados por dos elementos distintos y oxígeno como son las espinelas.

Atendiendo al comportamiento químico hay tres tipos de óxidos: óxidos básicos, ácidos y óxidos anfóteros, aunque no muy comunes en la naturaleza.

• Los óxidos básicos se forman con un metal mas oxígeno, los óxidos de elementos menos electronegativos tienden a ser básicos. Se les llaman también anhídridos básicos; ya que al agregar agua, pueden formar hidróxidos básicos. Por ejemplo:

Na₂O+H₂O→2Na(OH)

• Los óxidos ácidos son los formados con un no metal + oxígeno, los óxidos de elementos más electronegativos tienden a ser ácidos. Se les llaman también anhídridos ácidos(nomenclatura en desuso); ya que al agregar agua, forman oxácidos. Por ejemplo:

CO₂+H₂O→H₂CO₃

• Los óxidos anfotéricos se forman cuando participa en el compuesto un elemento anfótero. Los anfóteros son óxidos que pueden actuar como ácido o base según con lo que se les haga reaccionar. Su electronegatividad tiende a ser neutra y estable, tiene punto de fusión bajo y tienen diversos usos. Un ejemplo es óxido de aluminio.

Algunos óxidos no demuestran comportamiento como ácido o base.

Los óxidos de los elementos químicos en su estado de oxidación más alto son predecibles y la fórmula química se puede derivar del número de los electrones de valencia para ese elemento. Incluso la fórmula química del ozono es predecible como elemento del grupo 16. Una excepción es el cobre para el que el óxido del estado de oxidación más alto es el óxido cúprico y no el óxido cuproso. Otra excepción es el fluoruro que no existe, como esperado, como F₂O₇ sino como OF₂ con --la menos prioridad dada elemento electronegativo--.¹

El pentóxido de fósforo, la tercera excepción, no es representado correctamente por la fórmula química P₂O₅ sino por P₄O₁₀ ya que la molécula es un dímero.

El pH (potencial de hidrógeno) es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H₃O⁺] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. = hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sørensen, quien lo definió como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es:

Desde entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.

Por ejemplo, una concentración de [H₃O⁺] = 1 × 10^–7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que: pH = –log[10^–7] = 7

El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más protones en la disolución) , y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua).

Definición

El pH se define como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno:

Se considera que p es un operador logarítmico sobre la concentración de una solución: p = –log[...] , también se define el pOH, que mide la concentración de iones OH⁻.

Puesto que el agua está disociada en una pequeña extensión en iones OH^– y H₃O⁺, tenemos que:

K(constante)_{w(water; agua)} = [H₃O⁺]·[OH^–]=10^–14 en donde [H₃O⁺] es la concentración de iones hidronio, [OH⁻] la de iones hidroxilo, y K_w es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10⁻¹⁴.

Por lo tanto,

log K_w = log [H₃O⁺] + log [OH^–]

–14 = log [H₃O⁺] + log [OH^–]

14 = –log [H₃O⁺] – log [OH^–]

pH + pOH = 14

Por lo que se puede relacionar directamente el valor del pH con el del pOH.

En disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presión y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es neutra estará relacionado con la constante de disociación del disolvente en el que se trabaje.

Ionización

Es el proceso químico o físico mediante el cual se producen iones, estos átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso de electrones, generando los aniones y cationes.

También es una forma de enlace en la química, un elemento no metálico o metálico pierde o gana electrones, ionizándose o no.

Solvatación

Es el proceso de asociación de moléculas de un disolvente con moléculas o iones de un soluto. Al disolverse los iones en un solvente, se dispersan y son rodeados por moléculas de solvente. A mayor tamaño de ion, más molécula de solvente son capaces de rodearlo, y más solva-tado se encuentra el ion.

Es la interacción de un soluto y un solvente que conduce a la estabilización de las especies del soluto en la solución.

Práctica

Objetivo: Que el alumno sepa distinguir los tipos de bases y ácidos, y también la calidad de los mismos.

Material:

-Ca+O2

-Mg+O

-Al+O

-Na+O

-Fe+O

-Zn+O

-Tubos de ensayo

-Mechero

-Base universal

-Indicador

-Agua mineral

Prodecimiento:

1. Clasificar los tubos de ensayo poniéndoles nombre de cada sustancia, luego agregar el indicador junto con 2 ml. de agua.

2. Calentar las sustancias que sean necesarias para luego agregarlas a su respectivo tubo con su nombre.

3. Observar qué bases se forman y su calidad, dependiendo de su color.

4. Agitar el agua mineral y conectarla con la solución de azufre, taparla para ver qué ácido produce.

Observaciones: Tapar bien el azufre para que se forme bien el ácido.